Transcript (1)

1
유기나노소재 논문발표
김소현 오동아 정재운
organic nanomaterials
Subject
2
Effects of Alkylthio and Alkoxy Side Chains in Polymer Donor Materials
for Organic Solar Cells
organic nanomaterials
3
Index
1. Introduction
1)
2)
3)
4)
Organic solar cells 이란
Organic solar cells 구조 및 원리
PSC의 PCE
Donor materials의 중요성
2. PSC example
1)
2)
3)
4)
PPV 계열
Polythiophene 계열
D-A copolymer
2D Conjugated polymers
3. Summary
1) 전체내용 요약
4. Q&A
1) 질의 응답
2) 문제 제출
4
Introduction
About Polymer solar cells
organic nanomaterials
About Organic Solar Cells
5
organic nanomaterials
Structure of Organic Solar Cells
6
organic nanomaterials
Structure of Organic Solar Cells
(a) 두층구조
(b) BHJ구조
(b) photoactive layer =
electron donor(polymer)과
electron acceptor(fullerene)의 혼합 layer
=> 효율이 더욱 높아짐
7
organic nanomaterials
Structure of Organic Solar Cells
8
organic nanomaterials
Power conversion efficiency of PSC
9
PSC의 PCE(동력변환효율성)는 Jsc, Voc, FF에 비례
Jsc (short-circuit current density) : 단락 회로 전류 밀도
단락 = 전압간의 저항이 0Ω에 가까운 회로를 만드는 것. 옴의 법칙(I＝E/R)에 따라 큰 전류(단락전류)가 흐른다.
전류 밀도 = 전류를 단위 면적당의 크기로 나타낸 것. 반응 속도를 지배하는 중요 인자이다.
Hall mobility : 홀 이동도
반도체 속의 전자가 이동하는 정도
Voc (open-circuit voltage) : 개방 전압
태양전지 양 극단에 추가적인 전류를 주입하지 않을 때 걸리는 전위차
FF (fill factor) : 충진율
개방전압과 단락전류의 곱에 대한 최대출력의 배율
organic nanomaterials
Power conversion efficiency of PSC
10
PSC의 PCE(동력변환효율성)는 Jsc, Voc, FF에 비례
FF (fill factor) 는 태양전지 품질에 있어서 가장 중요한 척도.
최대 전력
개방전압과 단락 회로 전류에서 출력하는
이론상 전력
organic nanomaterials
Donor materials of PSC
PSC는 고효율 donor materials의 개발에 주력
polymer donor design의 주요 포인트는?
1) Bandgap과 energy levels의 기술에 달려있다. => 높은 Jsc와 Voc를 위해
11
organic nanomaterials
Donor materials of PSC
PSC는 고효율 donor materials의 개발에 주력
polymer donor design의 주요 포인트는?
1) Bandgap과 energy levels의 기술에 달려있다. => 높은 Jsc와 Voc를 위해
2) Polymers의 흡수 스펙트라가 넓고 강해야 한다. => 높은 Jsc를 위해
12
organic nanomaterials
Donor materials of PSC
PSC는 고효율 donor materials의 개발에 주력
polymer donor design의 주요 포인트는?
1) Bandgap과 energy levels의 기술에 달려있다. => 높은 Jsc와 Voc
2) Polymers의 흡수 스펙트라가 넓고 강해야 한다. => 높은 Jsc
3) Polymer donor는 lower HOMO energy level을 가져야 한다. => 높은 Voc
13
14
PSC example
Experiment & Results
organic nanomaterials
15
PPV 계열 고분자 ; PPV
전기 전도성 고분자
광발광성이 뛰어난 conjugated polymer
LED의 첫 재료
organic nanomaterials
16
PPV 계열 고분자 ; PPV
용해도가 낮음
작용기를 달아보자!
organic nanomaterials
PPV 계열 고분자 ; MEH-PPV
17
organic nanomaterials
18
PPV 계열 고분자 ; MEH-PPV
Bilayer Cells,
Acceptor : P14
PPV
MEH-PPV
PCE
1.4%
0.8%
organic nanomaterials
PPV 계열 고분자 ; OT-PPV, MEHT-PPV
19
organic nanomaterials
20
PPV 계열 고분자 ; OT-PPV, MEHT-PPV
Acceptor : PCBM
HOMO
PCE
OT-PPV
-5.37eV
1.4%
MEHT-PPV
-5.17eV
1.2%
MEH-PPV
-5.07eV
0.8%
Alkylthio chain 치환 : HOMO 에너지 준위를 낮추는데 유리함
organic nanomaterials
PPV 계열 고분자 ; MDMO-PPV
21
organic nanomaterials
22
PPV 계열 고분자 ; MDMO-PPV
Regular-PPV의 blend
morphology가 더 좋음
Regular-PPV의
PCE : 3.1%
organic nanomaterials
Polythiophene 계열 고분자 ; P3HT
● 고분자 태양전지에 쓰이는 가장 대표적인 conjugated polymer donor material
● 쉽게 합성할 수 있고, 전하 이동이 빠름, 가공하기 쉬움
● bandgap이 1.9eV로 상대적으로 넓어서 태양광 스펙트럼의 양자흡수 방해
● 높은 HOMO 에너지 준위로 인해 Voc가 낮음 -> 상대적으로 낮은 전력변환 효율
23
organic nanomaterials
Polythiophene 계열 고분자 ; P3HOT, P3HST, P3HST-co-Th
● 흡수 파장대의 장파장 이동 : alkylthio side chain의 electron-donating ability
● HOMO 에너지 준위 감소 : side chain에 있는 황의 큰 크기에 의한 steric effect
● HOMO 에너지 준위가 상당히 높아서 낮은 PCE를 보임
24
organic nanomaterials
Polythiophene 계열 고분자 ; PTTV 계열
● 황이 들어간 side
chain으로 인해 HOMO
에너지 준위가 낮아짐.
● 하지만 hole mobility가
작아 실질적인 PCE는 매우
작다.
25
organic nanomaterials
D-A 공중합체에 존재하는 Electron-Donating Side chain (EDSC) 설계
26
organic nanomaterials
Acceptor Unit에 EDSC를 가진 D-A 공중합체 - 왜 붙이는가?
좋은 용해도
Electron-Accepting 성질 감소
HOMO 에너지 준위 증가
높은 홀 이동도
High-quailty Film
27
organic nanomaterials
Acceptor Unit에 EDSC를 가진 D-A 공중합체 -
28
PCzDTBF, PCDTBX
●Bandgap, HOMO 에너지 준위 증가
●hole mobility 증가 -> Jsc 증가
Bandgap
HOMO
LUMO
Voc
Jsc
(mA
cm^-2)
PCDTBX
1.87eV
-5.47eV
-3.65eV
0.96V
3.7
0.60
2.4%
PCzDTBF
1.93eV
-5.34eV
-3.46eV
0.85V
7.36
0.57
4.2%
FF
PCE
organic nanomaterials
Acceptor Unit에 EDSC를 가진 D-A 공중합체 -
29
P1, PBDT-BX, PBDT-DTBX
PBDT-BX : packing이 불량함 / PBDT-DTBX : thiophene의 pibridge 역할
Bandgap
HOMO
LUMO
Voc
Jsc
(mA cm^-2)
P1
1.68eV
-5.34eV
-3.45eV
0.89V
13.6
0.51
6.05%
PBDT-BX
1.52eV
-5.08eV
-3.64eV
0.59V
1.99
0.38
0.56%
PBDTDTBX
1.64eV
-5.20eV
-3.60eV
0.75V
5.25
0.59
2.9%
FF
PCE
organic nanomaterials
Acceptor Unit에 EDSC를 가진 D-A 공중합체 -
PCDTBT의 Derivative (P2, P3, P4)
30
● Bandgap이 높아지는 원인
- 긴 사슬에 의한 pi-stacking
- 주 사슬의 평면화
- 산소와 황 원자의 steric effect 때문
● 실제 modeling
- P2 : 완벽한 planar conformation
- P3, P4 : 큰 황 원자 -> polythiophene ring과 torsional
disorder를 일으킴
Bandgap
HOMO
LUMO
Voc
Jsc
(mA cm^-2)
PCDTBT
1.88eV
-5.5eV
-3.6eV
0.89V
6.92
0.63
3.6%
P2
1.99eV
-5.24eV
-3.25eV
0.97V
9.36
0.43
3.9%
P3
2.03eV
-5.52eV
-3.49eV
1.07V
5.42
0.33
1.92%
P4
2.03eV
-5.52eV
-3.49eV
1.02V
6.30
0.33
2.13%
FF
PCE
organic nanomaterials
Donor Unit에 EDSC를 가진 D-A 공중합체 -
31
Weak donor-Strong Accepto
● weak donor : 고분자의 HOMO 에너지 준위를
감소시키는 역할
● strong acceptor : bandgap을 감소시키는 역할
organic nanomaterials
Donor Unit에 EDSC를 가진 D-A 공중합체 -
32
BDT계열 고분자
● 황 원자가 BDT에서
HOMO 에너지 준위를
낮추기 때문
● 더 나은 pi-stacking을
만드는 황 원자간의
상호작용 때문
Bandgap
HOMO
LUMO
Voc
Jsc
(mA cm^2)
S-PBDT
2.07eV
-5.41eV
-3.26eV
0.99V
7.66
0.53
4%
O-PBDT
2.21eV
-5.31eV
-2.94eV
0.83V
4.18
0.45
1.56%
SO-PBDT
2.03eV
-5.36eV
-3.11eV
0.91V
4.40
0.43
1.73%
FF
PCE
organic nanomaterials
Donor Unit에 EDSC를 가진 D-A 공중합체 – PBDTFBZO, PBDTFBZS
● planar conformation ->
전자의 비편재화 -> hole
mobility 증가
● Alkylthio chain이 HOMO
에너지 준위를 감소시킴 ->
Voc 증가
Bandgap
HOMO
LUMO
Voc
Jsc
(mA cm^-2)
PBDTFBZO
1.83eV
-5.38eV
-3.28eV
0.91V
11.81
0.582
6.25%
PBDTFBZS
1.81eV
-5.32eV
-3.26eV
0.88V
12.36
0.712
7.74%
FF
PCE
33
organic nanomaterials
PSC Example 요약
○ 가장 높은 PCE를 보이는 고분자 : PBDTFBZS (이유 : planar conformation -> 전자의 비편재화)
○ Alkylthio Side chain은 HOMO 에너지 준위를 감소시키고, 용해도를 증가시킨다.
○ Acceptor Unit에 Electron-Donating Side Chain을 붙이는 이유
○ “Weak donor-Strong Acceptor” 전략
○ 하지만, 때로는 Electron-Donating Side Chain의 길이 또는 Conformation의 영향으로, PCE가 감
소하는 고분자 또한 나타남. (예 : PBDT-BX)
34
organic nanomaterials
2D-Conjugated Polymer에서 Conjugated Side chains의 기술
conjugation길이 증가
넓고 강력한 흡수스펙트럼
Jsc 증가, 고효율 PSC
35
organic nanomaterials
Polythiophenes 의 Conjugated Side chains
di(thienylene vinylene)
P3HT보다 HOMO energy
level 약 0.2eV 감소
P10 ; PCE 3.18%
36
organic nanomaterials
Polythiophenes 의 Conjugated Side chains
styrly-triphenylamine
styrly-triphenylamine
평면성 증가
backbone 흡수스펙트럼
증가
HOMO energy level 감소
N : sp3 → 입체성
PCE : 3.6%
Twisted propeller 구조
37
organic nanomaterials
Polythiophenes 의 Conjugated Side chains
thienylene vinylene
보다 더 정밀하게
packing
PCE : 3.05%
C=O → HOMO, 밴드갭 감소
But, 홀이동도 함께 감소→ PCE :
1.41%
38
organic nanomaterials
Benzodithiophenes(BDT) 의 Conjugated Side chains
효율적인 interchain
π-π overlap
강화된 광전기적 물성
39
organic nanomaterials
40
Benzodithiophenes 의 Conjugated Side chains
alkylthienyl
alkylthienyl
alkoxy
LUMO, HOMO 감소
광전기적물성, 홀이동도 증가
PCE : 7.59%
organic nanomaterials
Benzodithiophenes 의 Conjugated Side chains
alkoxy
alkylphenyl
Voc : 0.88eV
PCE : 8.07%
41
organic nanomaterials
42
Benzodithiophenes 의 Conjugated Side chains
alkylthio
alkoxy
R₁ = 2ethylhexyl
Alkoxy기 ; 강한 전자제공효과
HOMO 증가, bandgap 감소
HOMO 0.11eV 감소
PCE : 8.42%
organic nanomaterials
Benzodithiophenes 의 Conjugated Side chains
octyl
Octyl기 → 가지가 없는
straight alkyl chain
intermolecular stacking이
비교적 정렬되어 발생
bandgap 감소
PCE : 9.48%~10.2%
→ 상용화 가능
43
44
Summary
Whole contents
FEATURES
45
Summary
Electron – donating side chain
Alkylthio, Alkoxy
HOMO enery level 감소
홀이동도 증가
광전기적 물성 증가
FEATURES
46
Summary
PSC Device
Performance
Planarity
Good
solvent
Morpholog
y
FEATURES
47
Summary
PSC Device Performance
Planarity
-정공 이동도 증가
-강한 π-π stacking
분자
packing
Morpholog
y
FEATURES
48
Summary
PSC Device Performance
Planarity
Good
solvent
-정공 이동도 증가
-강한 π-π stacking
-PSC 습식 공정으로 생산
-용해도 향상
→ 알킬기, 알콕시기
Morpholog
y
-태양열 → 모폴로지 변화
-광화학적, 열적 안정성
향상
→ PCE 유지
organic nanomaterials
References
49
Y.-J. Cheng , S.-H. Yang , C.-S. Hsu , Chem. Rev. 2009 , 109 , 5868 ;
H. Zhou , L. Yang , S. Stoneking , W. You , ACS Appl. Mater. Interfaces 2010 , 2 , 1377 .
A. Casey , R. S. Ashraf , Z. Fei , M. Heeney , Macromolecules 2014 , 47 , 2279 .
D. Lee , E. Hubijar , G. J. D. Kalaw , J. P. Ferraris , Chem. Mater. 2012 , 24 , 2534 .
K. Li , Z. Li , K. Feng , X. Xu , L. Wang , Q. Peng , J. Am. Chem. Soc. 2013 , 135 , 13549 .
W. Nie , C. M. MacNeill , Y. Li , R. E. Noftle , D. L. Carroll , R. C. Coffi n , Macromol.
Rapid Commun. 2011 , 32 , 1163 .
- P. Ding , C. Zhong , Y. Zou , C. Pan , H. Wu , Y. Cao , J. Phys. Chem. C 2011 , 115 ,
16211 .
- Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 58–77
-
50
Q&A
Question & Answer
organic nanomaterials
Question & Answer
Question 1.
다음은 유기태양전지의 구조에서 광활성층의 두 가지 구조를 나타낸 것이다.
어느 것이 더 높은 효율을 얻을 수 있는지 말하고 그 이유를 설명하라.
a의 두층구조와 같은 경우는 경계 면이 작아서 한번에 분리될 수 있는 양이 적고, p형 반도
체로부터 경계 면까지의 평균적인 거리가 상당히 멀어서 효율이 낮아지게 됩니다. 즉 분리
되는 양이 적으므로 효율이 낮아지게 되는 것입니다. 반면에 b의 BHJ구조의 경우 전자와
정공 쌍이 빠르게 그리고 많이 분리가 되므로 훨씬 더 효율이 높아지게 됩니다. 즉 b의 구조
가 더 높은 효율을 얻을 수 있습니다.
51
organic nanomaterials
Question & Answer
52
Question 2.
다음의 그래프를 참고해서 PSC의 PCE에 영향을 주는 세 가지 요인 사이 관계식을 쓰고 설명하시오.
FF는 충진율로 개방전압과 단락전류의 곱에 대한 최대출력의
배율을 뜻합니다.
최대전력과 개방전압과 단락회로전류에서 출력하는 이론상의
전력과 비교해서 계산을 할 수 있습니다.
organic nanomaterials
Question & Answer
Question 3.
D-A 공중합체에서, Accepting Unit에 Electron Donating Side Chain을 치환했을 때의 단점과,
그럼에도 불구하고 하는 목적이 무엇인지에 대해 서술하시오.
Electron Accepting Ability가 감소하고, HOMO 에너지 준위가 상승하여, 낮은
Voc를 나타낸다. 하지만, 높은 용해도와 높은 홀 이동도, 그리고 높은 질의
필름을 얻어내기 위하여 Electron Donating Side Chain을 치환하게 된다.
53
organic nanomaterials
54
Question & Answer
Question 4.
다음은 Weak donor – Strong Acceptor 전략에 대한 그림을 소개하고 있다.
Weak donor와 Strong Acceptor의 역할에 대하여 간단히 서술하시오.
Weak donor : HOMO 에너지 준위를
줄인다.
Strong Acceptor : bandgap을
줄인다.
organic nanomaterials
Question & Answer
55
Question 5. 다음 그림을 보고,
컨쥬게이션의 길이와 PSC의
광전기적 물성의 상관관계에
대해 설명하시오.
컨쥬게이션의 길이가 길어질
수록 흡수 스펙트럼이
넓어지고 강해진다.
흡수 스펙트럼이 넓을수록
높은 Jsc를 얻을 수 있으므로
HOMO 에너지 준위가
낮아지고 높은 Voc를 얻어서
결과적으로 광전기적 물성이
향상된다.
organic nanomaterials
56
Question & Answer
Question 6. 다음 그림을 보고 donor
polymer에서의 주사슬의 평면성과 연관지어
설명하시오.
그림에서 정공과 전하가 잘 분리되어
이동할 때 좋은 광전기적 성질을 가지게
되는데, 이때 정공 이동도를 높이는 가장
효과적인 방법이 바로 donor polymer의
평면성을 증가시키는 것이다. 높은
평면성을 가질 수록 고분자끼리의 강한
파이-파이 stacking이 일어나서 전하
수송체의 이동이 좋아지기 때문입니다.